оптическое устройство для измерения расстояния от поверхности до исходной точки

Формула изобретения

1. Оптическое устройство для измерения расстояния от поверхности до исходной точки, содержащее лазер, последовательно установленные по ходу излучения фокусирующую оптическую систему и оптоэлектронный приемник и электрически с ним связанный электронный формирователь сигнала дальности, отличающееся тем, что оно снабжено оптическим блоком преобразования светового пятна лазера в плоский пучок, установленным перед оптоэлектронным приемником таким образом, что плоскость преобразования блока перпендикулярна линии вдоль которой расположены светочувствительные элементы приемника, светочувствительная плоскость которого оптически сопряжена с оптической осью фокусирующей системы, расположенной с возможностью ориентации ее оптической оси в направлении биссектрисы максимального угла, образуемого нормалями к измеряемой поверхности.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический блок преобразования светового пятна выполнен в виде астигматической линзы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к оптическим средствам измерения расстояний от поверхности до исходной точки.

Известно устройство для измерения расстояния от поверхности до исходной точки [1] содержащее источник излучения света, приемник и электронный блок формирования сигнала, зависящего от расстояния поверхности от источника излучения.

Недостаток устройства состоит в сложности реализации электронного блока при измерении малых расстояний и низкая точность измерения.

Наиболее близким техническим решением является оптическое устройство для измерения расстояния от поверхности до исходной точки [2] содержащее лазер с фокусирующим свет приспособлением, проекционную оптическую систему, оптоэлектронный приемник, к которому электрически подключен электронный формирователь дальности в зависимости от места расположения светового пятна лазера на оптоэлектронном приемнике.

Недостаток устройства состоит в низкой точности из-за того, что световое пятно на светочувствительной плоскости оптоэлектронного приемника имеет, в основном, одинаковую величину внутри участка нерезкости (размытости), вследствие чего при измерении расстояний, близких к максимальным, внутри этого участка освещенность возрастает от краев к центру пятна, что приводит к неоднозначному определению электронным формирователем границы светового пятна в пределах участка нерезкости, а это снижает точность измерения. Кроме того, линия перемещения центра пятна без проведения предварительной дорогостоящей юстировки, как правило, не совпадает с линией расположения чувствительных элементов на светочувствительной плоскости оптоэлектронного приемника, что приводит к неполному попаданию или непопаданию вовсе светового пятна на элементы чувствительности, вследствие чего снижается точность измерений.

Цель изобретения повышение точности достигается тем, что устройство снабжено оптическим блоком преобразования светового пятна лазера в плоский пучок, установленным перед оптоэлектронным приемником таким образом, что плоскость преобразования блока перпендикулярна линии, вдоль которой расположены светочувствительные элементы приемника, светочувствительная плоскость которого оптически сопряжена с оптической осью фокусирующей системы, расположенной с возможностью ориентации ее оптической оси в направлении биссектрисы максимального угла, образуемого нормалями к измеряемой поверхности.

На фиг.1 представлена структурная схема оптического устройства; на фиг.2 показано расположение светового пятна на оптоэлектронном приемнике; на фиг.3 изображена проекционная оптическая система с оптическим блоком преобразования светового пятна в световой плоский пучок и ход лучей.

На фиг.1 лазер 1 через фокусирующее свет приспособление 2 формирует пучок света на поверхность 3. Последовательно скомпанованы проекционная оптическая система 4 для изображения светового пятна лазера 1, оптический блок 5 преобразования светового пятна лазера в световой плоский пучок и оптоэлектронный приемник 6, к которому подключен электронный формирователь 7 сигнала дальности в зависимости от места расположения светового пятна лазера 1 на оптоэлектронном приемнике 6.

Оптическое устройство работает следующим образом.

Лазер 1 через фокусирующее свет приспособление 2 формирует пучок света, направленный на поверхность 3. Отраженный поверхностью 3 свет попадает в проекционную оптическую систему 4 и через оптический блок 5 на оптоэлектронный приемник 6. Проекционная оптическая система 4 представляет собой однолинзовый объектив (фиг. 3), а оптический блок 5 выполнен в виде астигматической поверхности линзы, осуществляющей преобразование светового пятна от пучка лазера 1 в световой плоскости пучок. В зависимости от места расположения светового пятна на оптоэлектронном приемнике 6 электронный формирователь 7 вырабатывает соответствующий электрический сигнал.

Оптоэлектронный приемник 6 представляет собой линейную фоточувствительную схему с зарядовой связью, сигналы которой преобразуются электронным формирователем 7 в соответствии с диаграммой работы фоточувствительной схемы с зарядовой связью, в электрический сигнал дальности.

Светочувствительная плоскость оптоэлектронного приемника 6 оптически сопряжена с оптической осью фокусирующего приспособления 2, т.е. расположена в плоскости изображения оси светового пучка, что значительно улучшает точность оптического устройства.

Оптический блок 5 (фиг.3) представляет собой цилиндрическую поверхность астигматической линзы, причем, образующая этой поверхности перпендикулярна линии расположения чувствительных элементов оптоэлектронного приемника 6. Оптический блок 5 осуществляет преобразование светового пятна от пучка лазера 1 в световой плоский пучок M"N" (фиг.3) на расстоянии от главной плоскости линзы (место изображения светового пятна от пучка лазера 1).

Оптическая ось фокусирующего приспособления 2 расположена в направлении биссектрисы максимального угла, образованного нормалями к измеряемой поверхности 3. Предполагаем, что измеряемая поверхность имеет такую форму, что нормаль к этой поверхности изменяется от вертикального расположения до горизонтального и наоборот. Тогда максимальный угол между нормалями 2 90^o. Пусть 00 продольная ось оптического устройства проходит через главную точку проекционной оптической системы 4 в вертикальном направлении. Оптическая ось фокусирующего приспособления 2 расположена под углом a 45^o к оси 00 и совпадает с направлением биссектрисы максимального угла 2, образованного нормалями к измеряемой поверхности. Такое направление оптической оси фокусирующего приспособления 2 позволяет одинаково эффективно измерять расстояния как до вертикально, так и горизонтально расположенных поверхностей.

Оценим влияние на точность измерения формы пятна на светочувствительной плоскости оптоэлектронного приемника. Если пятно имеет форму круга (фиг.2,а) и перемещение его центра не совпадает с линией r расположения чувствительных элементов на оптоэлекронном приемнике из-за конструктивных особенностей оптического устройства, то при измерении различных расстояний положение пятна будет смещаться относительно линии r, что приводит к неполной засветке отдельных чувствительных элементов и снижению освещенности этих элементов до уровня E_п. В этих условиях неполностью освещенные чувствительные элементы будут работать неустойчиво, что снижает точность измерения.

Определим возможную область Dl неполной засветки чувствительных элементов при заданном их поперечном размере h. Если d диаметр пятна, то в соответствии с фиг.2



Если пятно имеет форму вытянутого прямоугольника (фиг.2,б), то при том же несовпадении линии перемещения центра пятна с линией r чувствительные элементы будут засвечиваться полностью, что не приведет к снижению точности оптического устройства.

Оценим влияние угла между осью 00 и оптической осью фокусирующего приспособления при измерении различных поверхностей, нормаль к которым лежит в пределах угла 2. Освещенность пятна E на поверхности зависит от угла n между оптической осью фокусирующего приспособления и нормалью к поверхности в месте падения пучка лазера. Эту зависимость можно представить в виде

E = E_mcos

где E_m освещенность поверхности при 0. При a 45^o (оптическая ось фокусирующего приспособления расположена в направлении биссектрисы максимального угла, образованного нормалями к измеряемой поверхности, изменяющимися от вертикального до горизонтального расположения) угол n изменяется в пределах (-45^o, 45^o), т.е. при всех значениях . Если a 45^o, то угол n изменяется в пределах -, 90-. В известном решении (2) угол a 0^o. В этом случае при измерении расстояний до поверхностей, для которых выполняется условие

E_mcos < E_п

погрешность измерения будет определяться шириной пятна d_m, т.е.

_mcos = K_id_m

Например, при d_m 0,3 мм R_i 2,1 мм.

Предлагаемое оптическое устройство улучшает точность измерения.